Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Токи Фуко (в честь Фуко, Жан Бернар Леон) -- это вихревые замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Величина токов Фуко тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.
Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф Араго (1786--1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819--1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
В отличие от электрического тока в проводах, текущего по точно определённым путям, вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с породившим их магнитным потоком. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи. вихревый ток проводник индукция
Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть, замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др. Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах -- в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.
Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, поэтому приходится принимать специальные меры для их уменьшения. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.
Проведем следующий эксперимент:
Берем постоянный магнит (1) в руки и быстро водим (3) его вдоль поверхности листа меди/алюминия (2), ориентируя к последнему один из полюсов магнита, так как показано на Рис.1.
Можно отчетливо ощутить возникающее сопротивление такому быстрому движению. Теперь пустим магнит в свободное скольжение по поверхности наклоненного толстого листа меди/алюминия. Можно заметить, что скольжение магнита сильно тормозится, и даже возникает впечатление, что магнит сильнее прижимается к листу проводника. Аналогичный эксперимент - постоянный магнит бросают в вертикальную трубу из меди или алюминия. Стандартное объяснение - движение магнита тормозят вихревые токи Фуко. Но умалчивается что суммарная масса электронов вовлеченных в вихревое движение во много раз меньше массы постоянного магнита. И потом, что мешает смещаться электронному вихрю вслед за скользящим магнитом? Логично предположить что "свободные" электроны, в электрическом проводнике, фактически не являются свободными. Существует некая сетка электропроводных мостиков меж атомами проводника, по которым движутся электроны. Эта-та сетка и привязывает множество вихрей токов Фуко к кристаллической решетке. Но, эксперимент с заменой сплошного листа проводника на опилки, показывает, что торможение движения постоянного магнита становится незаметным. Т.е. электропроводные "мостики" меж атомами проводника это не локальное явление. "Мостики" проявляют себя в макро-масштабах.
Но продолжим эксперимент с тем, что имеется у нас в руках - быстро водим (3) магнитом (1) вдоль поверхности листа меди/алюминия (2), ориентируя к последнему уже его оба полюса, так как показано на Рис.2.
При этом ощущается тоже сопротивление быстрому движению, что и в первом эксперименте.
Но вот если повернем магнит (1) и будем его быстро двигать (3), перпендикулярно прямой меж полюсами магнита (как показано на Рис.3), то мы уже не обнаружим сопротивление его быстрому движению.
Куда же делись токи Фуко? Никуда они не делись, просто их плоскость стала пересекать плоскость нашего листа меди/алюминия, что вызвало появление на поверхности листа электрического заряда как в банальном униполярном генераторе электрического тока. В нашем же случае электрическая цепь оказалась не замкнута, "вихревой" контур разомкнут… в макро-масштабах. Что опять наводит на мысль существования электропроводных "мостиков" меж атомами проводника в макро-масштабах.
Схематическое изображение возникающих вихревых токов в проводнике при изменении пронизывающего его потока вектора магнитной индукции. I - изменяющийся ток обмотки сердечника, вызывающий переменное во времени магнитное поле.
Таким образом, токи Фуко являются индукционными токами, они образуются либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится проводник, либо в результате движения проводящего тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Токи Фуко замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Направления вихревых токов определяются правилом Ленца. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревого тока направленно так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему эти вихревые токи.
В соответствии с законом Джоуля-Ленца, токи Фуко нагревают проводники, в которых они возникли, что приводит к потерям энергии. Для их уменьшения и снижения эффекта «вытеснения» магнитного поля магнитопроводы изготавливают не из сплошного куска, а из изолированных друг от друга отдельных пластин, заменяют ферромагнитные материалы магнитодиэлектриками и др. Явление нагревания проводников токами Фуко используется для плавки и поверхностной закалки металлов, для обезгаживания элементов арматуры вакуумных приборов и т.д.
Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течет переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные вихревые токи направлены у поверхности проводника по первичному току, а у оси проводника - навстречу току. В результате внутри проводника ток уменьшается, а на поверхности увеличивается (ток «вытесняется» на поверхность проводника). Это явление называется электрическим скин-эффектом. Взаимодействие вихревых токов с основным магнитным потоком приводит проводящее тело в движение. Это явление используется в измерительной технике, в машинах переменного тока и т.д.
Индукционные токи могут возникать также в сплошных массивных проводниках. При этом замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника при его движении в магнитном поле или под влиянием переменного магнитного поля. Эти токи названы по имени французского физика Ж.Б.Л. Фуко, который в 1855 г. обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников электрических машин и других металлических тел в переменном магнитном поле и объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Эти токи в настоящее время называются вихревыми токами или токами Фуко.
Если железный сердечник находится в переменном магнитном поле, то в нем под действием индукционного электрического поля наводятся внутренние вихревые токи - токи Фуко, ведущие к его нагреванию. Так как электродвижущая сила индукции всегда пропорциональна частоте колебаний магнитного поля, а сопротивление массивных проводников мало, то при высокой частоте в проводниках будет выделяться, согласно закону Джоуля-Ленца, большое количество тепла.
Вихревые токи широко используются для плавки металлов в так называемых индукционных печах, для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов. Для этого металлическую заготовку помещают в индукционную печь (соленоид, по которому пропускают переменный ток). Тогда, согласно закону электромагнитной индукции, внутри металла возникают индукционные токи, которые разогревают металл и могут его расплавить. Создавая в печи вакуум и применяя нагрев (в этом случае силы электромагнитного поля не только разогревают металл, но и удерживают его в подвешенном состоянии вне контакта с поверхностью камеры), получают особо чистые металлы и сплавы.
Полезное применение вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск. В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона. Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.
Вихревые токи находят полезное применение в электрометаллургии при индукционной плавке металлов и поверхностной закалке токами высокой частоты. Металл помещают в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500 - 2000 Гц. В результате индуктивного разогрева металл плавится, а тигель, в котором он находится, при этом остается холодным. Например, при подведенной мощности 600 кВт тонна металла плавится за 40-50 минут.
Литература
1. Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3.
2. Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2
3. Неразрушающий контроль: справочник.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Понятие гравитационного поля как особого вида материи и его основные свойства. Сущность теории вихревых полей. Определение радиуса действия гравитационного поля. Расчет размеров гравитационных полей планет, их сравнение с расстоянием между ними.
реферат , добавлен 12.03.2014
Анализ электрических цепей постоянного тока. Расчёт токов с помощью законов Кирхгофа. Расчёт токов методом контурных токов. Расчёт токов методом узлового напряжения. Исходная таблица расчётов токов. Потенциальная диаграмма для контура с двумя ЭДС.
курсовая работа , добавлен 02.10.2008
Электродинамическое взаимодействие электрических токов. Открытие магнитного действия тока датским физиком Эрстедом - начало исследований по электромагнетизму. Взаимодействие параллельных токов. Индикаторы магнитного поля. Вектор магнитной индукции.
презентация , добавлен 28.10.2015
Процесс формирования и появления магнитного поля. Магнитные свойства веществ. Взаимодействие двух магнитов и явление электромагнитной индукции. Токи Фуко - вихревые индукционные токи, возникающие в массивных проводниках при изменении магнитного потока.
презентация , добавлен 17.11.2010
Электромагнитная индукция. Закон Ленца, электродвижущая сила. Методы измерения магнитной индукции и магнитного напряжения. Вихревые токи (токи Фуко). Вращение рамки в магнитном поле. Самоиндукция, ток при замыкании и размыкании цепи. Взаимная индукция.
курсовая работа , добавлен 25.11.2013
Решение линейных и нелинейных электрических цепей постоянного тока, однофазных и трехфазных линейных электрических цепей переменного тока. Схема замещения электрической цепи, определение реактивных сопротивлений элементов цепи. Нахождение фазных токов.
курсовая работа , добавлен 28.09.2014
Расчет линейных электрических цепей постоянного тока, определение токов во всех ветвях методов контурных токов, наложения, свертывания. Нелинейные электрические цепи постоянного тока. Анализ электрического состояния линейных цепей переменного тока.
курсовая работа , добавлен 10.05.2013
Понятие и принципы распространения токов Фуко, их характерные особенности. Сущность скин-эффекта. Явление самоиндукции и ее ЭДС. Энергия магнитного поля, критерии и порядок ее измерения. Понятие взаимной индукции, факторы и порядок ее возникновения.
презентация , добавлен 24.09.2013
Анализ электрического состояния линейных и нелинейных электрических цепей постоянного тока. Определение токов во всех ветвях методом контурных токов. Расчет однофазных цепей переменного тока. Уравнение мгновенного значения тока источника, баланс мощности.
реферат , добавлен 05.11.2012
Трехфазная электрическая цепь с лампами накаливания. Определение токов и показаний амперметра. Векторная диаграмма токов и топографическая диаграмма напряжений. Мощность, измеряемая ваттметрами. Моделирование цепи и расчет пускового режима ее работы.
Электричество окружает нас не только на производстве, но и в быту. Человек может даже не знать, что такое вихревые токи, но с работой, ими совершаемой, ежедневно сталкиваться. Например, люди давно привыкли включать свет простым нажатием клавиши выключателя, не задумываясь о происходящих при этом процессах. Так и случилось в данном случае. Поэтому чтобы понять, что же скрывается под термином «вихревые токи Фуко» и определиться с механизмом их возникновения, необходимо вспомнить свойства электрического тока. Но сначала ответим на вопрос «почему именно Фуко»?
Впервые вихревые токи были упомянуты в трудах французского физика Араго Д. Ф. Он обратил внимание на странное поведение медного диска, над которым располагалась вращающаяся намагниченная стрелка. Без видимых причин диск начинал вращаться вместе с вращением стрелки. В то время (1824 г.) объяснить такое поведение еще не могли, поэтому феномен получил название «явление Араго». Спустя несколько лет другой ученый – М. Фарадей, применив к явлению Араго открытый им закон электромагнитной индукции, пришел к выводу, что в данном случае движение диска легко объяснить с точки зрения упомянутого закона. Согласно предложенному объяснению, вращающееся магнитное поле воздействует на атомы проводника (медного диска) и вызывает появление направленного движения заряженных (поляризованных) частиц в структуре. Одно из свойств электрического тока состоит в том, что вокруг проводника всегда существует магнитное поле. Нетрудно догадаться, что и вихревые токи создают свое поле, вступающее во взаимодействие с основным, их порождающим. Слово «вихревые» характеризует способ распространения таких токов в проводнике: их направления закольцованы. Основываясь на работах Араго и Фарадея, серьезно вихревые токи изучал физик Фуко. Отсюда и полученное название.
Эти токи мало чем отличаются от индукционных, вырабатываемых генераторами. Если есть вихревое магнитное поле (переменное, вращающееся) и находящийся рядом проводник, то в нем благодаря действию электромагнитных полей наводятся токи. Чем больше и массивнее проводник, тем выше действующее значение создающихся токов. Причем, вихревые токи всегда создают такое магнитное поле, которое противится изменению потока. С ростом тока-первопричины возрастает направленная встречно ЭДС, а при снижении, наоборот, поле вихревых токов поддерживает основной поток. Вышесказанное следует из закона Ленца.
В других случаях некоторые свойства вихревых токов оказываются востребованными. Например, работа индукционных сталеплавильных печей основана на нагревающем массивный проводник действии вихревых токов, наведенных специальным генератором. Кроме того, их используют для определения наличия незаметных деффектов в структуре металла.
Что такое вихревые токи
Вихревые токи считаются одним из наиболее удивительных явлений, встречающихся в электротехнике. Поразительно, что человечество научилось использовать негативные аспекты действия вихревых токов во благо.
История открытия вихревых токов
В 1824 году французский физик Даниэль Араго впервые наблюдал действие вихревых токов на медный диск, расположенный под магнитной стрелкой на одной оси. При вращении стрелки в диске наводились вихревые токи, приводя его в движение. Это явление получило название «эффекта Араго» в честь его первооткрывателя.
Исследования вихревых токов были продолжены французским физиком Жаном Фуко. Он подробно описал их природу и принцип действия, а также наблюдал явление нагрева токопроводящего ферромагнетика, вращаемого в статическом магнитном поле. Токи новой природы были тоже названы в честь исследователя.
Природа вихревых токов
Токи Фуко могут иметь место при воздействии на проводник переменного магнитного поля, либо при перемещении проводника в статическом магнитном поле. Природа вихревых токов аналогична индукционным, которые возникают в линейных проводах при прохождении через них электрического тока. Направление вихревых токов замкнуто по кругу и противоположно вызывающей их силе.
Токи Фуко в хозяйственной деятельности человека
Самый простой пример проявления токов Фуко в обыденной жизни - их воздействие на магнитопровод обмоточного трансформатора. Из-за воздействия наведенных токов появляется низкочастотная вибрация (трансформатор гудит), способствующая сильному нагреву. В этом случае энергия тратится впустую, а КПД установки падает. Для предотвращения значительных потерь сердечники трансформаторов не изготовляют цельными, а набирают из тонких полос электротехнической стали с низкой удельной электропроводностью. Полосы изолированы между собой электротехническим лаком или слоем окалины. Появление ферритовых элементов позволило выполнять малогабаритные магнитопроводы цельными.
Эффект от действия вихревых токов используется повсеместно в промышленности и машиностроении. Поезда на магнитной подвеске используют токи Фуко для торможения, высокоточные приборы имеют систему демпфирования указывающей стрелки, основанной на действии вихревых токов. В металлургии широко распространены индукционные печи, имеющие целый комплекс преимуществ перед аналогичными установками. В индукционной печи нагреваемый металл можно поместить в безвоздушное пространство, добиваясь его полной дегазации. Индукционная плавка черных металлов также получила широкое распространение в металлургии ввиду высокой экономичности установок.
Что такое токи Фуко, их полезное использование, в каких случаюх с ними приходится бороться?
Вихревые токи или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) - вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.
Полезное использование
....Это свойство используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др.
Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах - в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления.
С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.
Юрий Масалыга
При прохождении тока по проводнику создаётся магнитное поле препендикулярное протекающему току (правило буравчика) . Это поле порождает токи Фуко. При достаточной силе тока и толщине проводника токи Фуко становятся значительными и вызывают нагрев проводника. Поэтому провода делают многожильными, а магнитопроводы трансформаторов набирают из отдельных изолированных пластин - это предотвращает перегрев.
Кирилл Грибков
ВИХРЕВЫЕ ТОКИ (токи Фуко) - замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника, в котором они возникли; для уменьшения этих потерь магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока изготовляют из изолированных стальных пластин.
Sergey x
Вихревые токи, токи Фуко, применяются для плавки и поверхностной закалки металлов, а их силовое действие используется в успокоителях колебаний подвижных частей приборов и аппаратов, в индукционных тормозах (в которых массивный металлический диск вращается в поле электромагнитов) и т. п.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Реферат По предмету «Физика» Тема: «Токи Фуко и их применение»
Выполнил: Студент группы Т-10915 Логунова М.В.
Преподаватель Воронцов Б.С.
Курган 2016
Введение 3
1. Токи Фуко 4
2.Вихри и скин-эффект 7
3.Практическое применение токов Фуко 8
4.Вывод формул 10
4.1. Сила вихревого тока по закону Ома 10
4.2. Формулы для посчёта потерь на токи Фуко 10
Заключение 11
Список использованной литературы 12
Введение
Индукционный ток может возникать не только в линейных контурах, то есть в проводниках, поперечные размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с их длиной. Индукционный ток возникает и в массивных проводниках. В этом случае проводник не обязательно включать в замкнутую цепь. Замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника. Такие индукционные токи называются вихревыми илитоками Фуко .
Вихревые токи, или токи Фуко (в честь Ж. Б. Л. Фуко) - вихревые индукционные токи, возникающие впроводникахлибо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть.
Величина токов Фуко тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.
Токи Фуко
Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д. Ф. Араго(1786-1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустяM. Фарадеемс позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физикомФуко(1819-1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах.
Но, в отличие от электрического тока в проводах, текущего по точно определённым путям, вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с породившим их магнитным потоком. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи.
|
Рис. 1 |
Например, если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью υ в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент её вхождения в магнитное поле (рис. 1).
Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и пластина медленно двигается в магнитном поле. Если электромагнит отключить, то медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.
Вихревые токитакже приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила вихревых токов, направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров вихревых токов. Такое «вытеснение» потока из середины сечения магнитопровода выражено тем резче, чем выше частота переменного тока и чем больше магнитная проницаемость ферромагнетика. При высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника. Это вызывает уменьшение кажущейся (средней по сечению) магнитной проницаемости. Явление вытеснения из ферромагнетика магнитного потока, изменяющегося с большой частотой, аналогично электрическому скин-эффекту и называемому магнитным скин-эффектом.
В соответствии с законом Джоуля - Ленца вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Поэтому вихревые токи приводят к потерям энергии (потери на вихревые токи) в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин).
Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи (и вредного нагрева магнитопроводов) и уменьшения эффекта «вытеснения» магнитного потока из ферромагнетиков магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока делают не из сплошного куска ферромагнетика (электротехнической стали), а из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Такое деление на пластины, расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, ограничивает возможные контуры путей вихревого тока, что сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах применение ферромагнетиков для магнитопроводов нецелесообразно; в этих случаях их делают из магнитодиэлектриков, в которых вихревые токи практически не возникают из-за очень большого сопротивления этих материалов.
При движении проводящего тела в магнитном поле индуцированные вихревые токи обусловливают заметное механическое взаимодействие тела с полем. На этом принципе основано, например, торможение подвижной системы в счётчиках электрической энергии, в которых алюминиевый диск вращается в поле постоянного магнита. В машинах переменного тока с вращающимся полем сплошной металлический ротор увлекается полем из-за возникающих в нём вихревых токов. Взаимодействие вихревого тока с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла.
Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течёт переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные вихревые токи направлены у поверхности проводника по первичному электрическому току, а у оси проводника - навстречу току. В результате внутри проводника ток уменьшится, а у поверхности увеличится. Токи высокой частоты практически текут в тонком слое у поверхности проводника, внутри же проводника тока нет. Это явление называется электрическим скин-эффектом. Чтобы уменьшить потери энергии на вихревые токи, провода большого сечения для переменного тока делают из отдельных жил, изолированных друг от друга.
56. Вихревые токи (токи Фуко). Их применение.
Вихревые токи илитоки Фуко́ (в честьЖ. Б. Л. Фуко ) - вихревые индукционные токи, возникающие впроводниках при изменении пронизывающего ихмагнитного потока .
Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф Араго (1786-1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустяM. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физикомФуко (1819-1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии справилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется длядемпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др.
Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах - в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления.
С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации .
Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов , эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появлениеферритов сделало возможным изготовление этих проводников сплошными.
57. Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока. При изменении тока в контуре меняется поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, в результате чего в нём возбуждается ЭДС самоиндукции. Направление ЭДС оказывается таким, что при увеличении тока в цепи эдс препятствует возрастанию тока, а при уменьшении тока - убыванию. Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения силы тока I и индуктивности контура L:
За счёт явления самоиндукции в электрической цепи с источником ЭДС при замыкании цепи ток устанавливается не мгновенно, а через какое-то время. Аналогичные процессы происходят и при размыкании цепи, при этом величина ЭДС самоиндукции может значительно превышать ЭДС источника. Чаще всего в обычной жизни это используется в катушках зажигания автомобилей. Типичное напряжение самоиндукции при напряжении питающей батареи 12В составляет 7-25кВ.
При всяком изменении силы тока в проводящем контуре возникает ЭДС самоиндукции, в результате чего в контуре появляются дополнительные токи, называемые экстратоками самоиндукции. Экстратоки самоиндукции, согласно правилу Ленца, всегда направлены так, чтобы препятствовать изменениям тока в цепи, т.е. направлены противоположно току, создаваемому источником. При выключении источника тока экстратоки имеют такое же направление, что и ослабевающий ток. Следовательно, наличие индуктивности в цепи приводит к замедлению исчезнования или установления тока в цепи.
Как общепринято, «токи Фуко – это токи, которые возникают в массивном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле. Токи Фуко имеют вихревой характер. Если обычные индукционные токи движутся по тонкому замкнутому проводнику, то вихревые токи замыкаются внутри толщи массивного проводника. Хотя при этом они больше ничем не отличаются от обычных индукционных токов» . По правилу Ленца, эти токи направлены так, чтобы противодействовать причине, их вызвавшей , . «Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле проводники испытывают сильное торможение из-за взаимодействия токов Фуко с магнитным полем» . «Токи Фуко экранируют переменное магнитное поле так, что оно не проникает вглубь проводника. Однако токи Фуко не могут экранировать статическое магнитное поле, так как из-за омического сопротивления они не могут существовать вечно. Статическое магнитное поле свободно проникает в проводник. Однако чем быстрее изменяется поле, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. В хороших проводниках, где омические потери малы, уменьшение глубины проникновения поля становится заметным при весьма умеренных частотах» . Считается, что этим обусловлено размагничивающее действие токов Фуко. Оно «сильнее проявляется в середине сердечника и меньше на его поверхности, так как участки в середине сердечника охватываются большими вихревыми токами, чем участки, близкие к поверхности» . Как установлено, в сверхпроводниках этот эффект присущ даже постоянным токам из-за отсутствия сопротивления проводника. «При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения» .
В рамках теоретической физики, исходя из общего признания вихревой природы токов Фуко, а значит, и вихревого характера электрического поля , их описание основывается на индукционной паре уравнений Максвелла :
В предположении равенства нулю плотности ρ свободных зарядов в проводнике и стандартной связи между плотностью тока и напряжённостью поля
получают уравнение для напряжённости магнитного поля, описывающего токи Фуко, как и скин-эффект:
При этом «сила вихревого тока по закону Ома равна
где Φ m – магнитный поток, сцепленный с контуром тока, R – сопротивление цепи вихревого тока. Подсчитать это сопротивление трудно. Однако совершенно очевидно, что оно тем меньше, чем больше удельная проводимость проводника и чем больше его размеры» .
Поэтому для расчёта потерь от токов Фуко обычно пользуются приближёнными формулами, в которых удельные потери зависят от сорта железа, толщины железных листов, частоты индуцирующего поля и максимальной индукции этого поля .
Как мы можем видеть, характер токов Фуко связывается исключительно с проводимостью проводника и их структура обуславливается исключительно фактом проводимости металлов, будучи одинаковой, как для ферро-, пара-, так и для диамагнетиков. Направленность этих токов встречна индуцирующему переменному полю, хотя сами указанные вещества во внешних полях ведут себя принципиально различно. Как известно , диамагнетики создают собственное поле, направленное встречно внешнему, пара- и ферромагнетики создают поля, направленные по направлению внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся, в частности, инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и т.д., к парамагнетикам относятся алюминий; воздух. К ферромагнетикам относятся, в частности, железо, никель, кобальт. Но это различие, как считается, не оказывает существенного влияния на сущность токов Фуко.
Проводимые эксперименты тоже не вскрывают данное различие. Большинство из них сводится к торможению падения проводящих тел в неоднородном магнитном поле или к демпфированию колебаний металлического маятника , . При этом считается, что для опытов «рекомендуется брать именно медную или алюминиевую пластины, так как у этих материалов мало удельное сопротивление. Следовательно, сила тока в них будет большей и эффект проявится более явно» .
Второй комплекс экспериментов с токами Фуко связан с индукционным нагревом как проводящих тел, так и диэлектриков (в частности, сушка древесины ). В теорию данного процесса заложена та же основа, базирующаяся на уравнениях Максвелла и вихревом характере индуцирующего электрического поля. Использование стандартной базы предопределяет и акценты, на которых строится моделирование. И хотя учитываются изменения магнитной проницаемости ферромагнетиков с температурой, существенное различие токов Фуко от вида магнетика не проводится, как и ограничивается случаем ферромагнетика. В работах, посвящённых индукционному нагреву алюминия , , феноменологическая база также сводится к стандартному представлению вихревых токов, возбуждающих поле встречной направленности возбуждающему полю и на этом строится моделирование процесса.
Вместе с тем, для промышленно выпускаемых индукционных бытовых печей, главным условием эксплуатации является ферромагнитный материал используемой посуды. При любом ином материале, даже для неферромагнитной стали, печь работать отказывается . Это свидетельствует об определённых нюансах, которые не учитываются существующей моделью вихревых токов, несмотря на обилие научных разработок и технологического использования самого процесса.
Для исследования особенностей вихревых токов была разработана специальная головка со взаимно перпендикулярными обмотками, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Схема и общий вид (a ) головки для исследования вихревых токов, а также схема мгновенных вихревых токов в сердечнике (I 2) и в накладке 4 (I 3) этой головки с точки зрения стандартной концепции (b ) при мгновенном токе в первичной обмотке I 1 ; 1 – сердечник из ферромагнитного материала (трансформаторное железо Э330), 2 – первичная однорядовая сплошная обмотка 110 витков провода ø0,23, 3 - вторичная однорядовая сплошная обмотка 110 витков провода ø0,23, 4 – накладка из исследуемого материала размером 15х15х6 мм
Обе обмотки головки были намотаны на подвижном каркасе из фторопласта для регулировки взаимной перпендикулярности. Размер исследуемой накладки выбирался несколько большим свободного от обмоток пространства, с целью, которая будет ясна из дальнейшего исследования. Индукционные токи, возникающие в сердечнике и накладке с точки зрения современных представлений о встречном вихревом характере этих токов, представлены на рис. 1b . Как следует из этого построения, при наложении ассиметричной накладки ток во вторичной обмотке принципиально возникнуть не может из-за взаимной перпендикулярности этих токов виткам вторичной обмотки.
Электрическая схема эксперимента представлена на рис. 2.
Рис. 2. Электрическая схема эксперимента.
Опыт проводился на частоте 20 кГц, амплитуда входного сигнала составляла 2 В, синхронизация осциллографа была внешняя и осуществлялась по сигналу, подаваемому на первичную обмотку головки.
В качестве накладок, ассиметрично устанавливаемых в углах головки, использовались четыре материала: медь – диамагнетик, алюминий – парамагнетик, трансформаторное железо и феррит – ферромагнетики. Вид накладок представлен на рис. 3.
Рис. 3. Вид накладок, используемых в исследовании.
Все накладки были изготовлены из нескольких слоёв. Медная накладка содержала 8 слоёв, алюминиевая – 4 слоя, железная – 20 слоёв и феррит – 2 слоя. Всё это было склеено клеем Стелс. Указатели положения, наклеенные на каждой из накладок, были установлены на их середину. Шкала делений на головке также была установлена на середину первичной обмотки, расположенной вертикально. Общий вид установки показан на рис. 4.
Рис. 4. Общий вид установки: 1 – осциллограф, 2 – измерительная головка, 3 – генератор сигналов, 4 – выходной мощный каскад, 5 – питание выходного каскада
Прежде всего, был исследован сам факт индукции во вторичной обмотке при асимметричном наложении накладок из различных материалов. Как было уже сказано, синхронизация осуществлялась по входному напряжению на первичную обмотку головки. Результаты опыта представлены на рис. 5.
a) медь
b) алюминий
c ) железо
d ) феррит
Рис. 5. Осциллограммы эдс индукции во вторичной обмотке головки (нижняя осциллограмма) в зависимости от материала и местоположения накладки на головке
Как видно из осциллограмм, для меди и алюминия эдс индукции противофазна индуцирующему току (правые фото). У феррита в этом положении наблюдается синфазность. Отклонения для железа будут прояснены далее. Кроме того, видно, что перемещение накладки из правого угла в левый приводит к изменению фазы эдс на 180°. Различие фаз свидетельствует, что природа возникновения эдс индукции в ферромагнетиках, с одной стороны, и пара- и диамагнетиках, с другой стороны, различна.
Чтобы выявить траекторию эдс индукции, было использовано то, что все накладки были набраны из пластин. В этом втором эксперименте накладки ставились в один и тот же угол измерительной головки, вдоль и поперёк плоскости головки. Результаты представлены на рис. 6.
a) медь
b) алюминий
c ) железо
d ) феррит
Рис. 6. Характер токов индукции в накладках из исследуемых материалов при их повороте относительно измерительной головки
Из осциллограмм мы видим, что при повороте накладок из меди и алюминия сигнал значительно ослабляется. Это говорит о том, что возникает существенное сопротивление вихревому току. В феррите сигнал почти не изменяется, что свидетельствует об отсутствии индукционного тока, характерного меди и алюминию, но присутствует ток второго типа, характерный ферромагнетику. Этот ток синфазен возбуждающему. В железной накладке при повороте на торец изменяется не только амплитуда, возрастая на торце, когда токи Фуко уменьшаются, но изменяется и фаза сигнала. Это бывает только в том случае, когда результирующая фаза сигнала зависит от амплитуд исходных компонент, что легко показать тригонометрически. Действительно, если предположим, что исходные составляющие результирующего сигнала строго смещены приблизительно на 180° и имеют различные амплитуды, то
Понятно, что при изменении амплитуд вследствие изменения условий протекания токов в накладках, будет смещаться и амплитуда результирующего сигнала A Ξ , и результирующая фаза φ Ξ . Описанный характер токов представлен на построении, приведенном на рис. 7.
a)Индукционные токи в пара- и диамагнетиках
b) Индукционные токи в ферритах
c ) Индукционные токи в железе
Рис. 7. Схема возбуждения электронных I e и ориентационных I c токов
В случае пара- и диамагнетиков торцевое расположение накладки (справа) приводит к тому, что вместо единого тока I e в ней образуются токи в каждой пластине, которые индуцируются не всей областью контакта накладки с индуцирующим проводником, а только частью, ограниченной толщиной пластины. А значит, этот индуцирующий ток при повороте накладки с плоскости на торец будет индуцировать и меньший ток во вторичной обмотке.
В случае феррита ситуация изменяется. Ток I c образуется молекулярными токами феррита. Электронный ток в феррите практически отсутствует из-за высокого его электрического сопротивления, а молекулярные токи мало зависят от ориентации феррита, вследствие чего поворот практически не изменяет амплитуду тока во вторичной обмотке.
В железе присутствуют оба тока, а потому изменение тока I e приводит, как показано в общем случае нами, к изменению и амплитуды, и фазы сигнала, поскольку этот ток компенсирует ток I c .
Кстати, конкурирующее действие указанных токов приводит и к неверной физической трактовке пара- и диамагнетизма, предполагающей некие особые способы разворота орбиталей атомов у диамагнетиков, чтобы создавать поле, встречное индуцирующему. Как показал вышеприведенный эксперимент, различие между магнетиками сводится исключительно к соотношению индуцирующих токов. В диамагнетике I e превышает I c , вследствие чего формируется встречное поле. В пара- и ферромагнетиках соотношение токов обратное, поэтому формируется поле по направлению внешнего индуцирующего поля. Данная особенность приводит и к неверному измерению относительной магнитной проницаемости пара- и диамагнетиков. Фактически, когда измеряется проницаемость этих веществ, измеряют её с компенсирующим действием тока I e . Чтобы измерить реальную магнитную проницаемость, нужно измерять мелкодисперсную фазу вещества, скреплённую изолирующим компаундом с μ = 1. Эта особенность тоже является причиной многих парадоксов в электромагнетизме.
Также следует обратить внимание и на тот факт, что уменьшение индукционного тока во вторичной обмотке обусловлено уменьшением области контакта пластины накладки с индуцирующим проводником. Опять-таки, как и в предыдущих наших экспериментах, выясняется, что индуцирующие токи возбуждаются не неким мифическим магнитным полем, а конкретным изменением взаимного положения проводников или изменением тока в индуцирующем проводнике и для электронного тока I e пропорционально области контакта проводника с материалом накладки. Фактически, в накладке формируются невихревые токи. Ток возникает исключительно в области контакта, а далее он уже замыкается через тело накладки в области слабого индуцирующего взаимодействия. Вследствие этого электрическая цепь тока может быть представлена, как показано на рис. 8.
Рис. 8. Эквивалентная схема токов Фуко в пара- и диамагнетиках
Согласно данной схеме, электрическое поле, индуцирующееся в пара- и диамагнетиках, не является вихревым. Оно остаётся потенциальным, как и во всех остальных проявлениях, но сам ток, возбуждаемый в материале, замыкается через тело проводника, создавая иллюзию циркулярности.
Вышесказанное подтверждается и следующими двумя экспериментами. В первом из них устанавливается противоположность направленности электронного тока I e и ориентационного молекулярного тока I c . Как мы могли обратить внимание в первом из приведенных экспериментов, при смещении накладки из одного угла измерительной головки в другой, фаза эдс во вторичной обмотке всегда изменялась на 180° (или близко к этому). Что произойдёт, если мы установим накладки из разных материалов на оба угла головки? На рис. 9 представлены результаты этой операции. На снимках слева показаны эдс во вторичной обмотке при установке одной из накладок. На снимках справа – обоих указанных в подписи к снимкам накладок.
a) медь и алюминий
b) Железо (плоскостью) и феррит
c ) Железо (торцом) и феррит
d ) Феррит и медь
e ) феррит и алюминий
